植物化感物質(zhì)的作用機(jī)理研究進(jìn)展

楊浩娜，周成言，鄔臘梅，王立峰，李祖任

（湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

近年來(lái)，化感作用已成為植物學(xué)、生態(tài)學(xué)和作物學(xué)等多個(gè)學(xué)科研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題?！盎凶饔谩币辉~最早由Molisch 于1937 年提出，指的是植物之間的化學(xué)作用，包括由微生物介導(dǎo)的化學(xué)作用。植物在生態(tài)系統(tǒng)中往往通過(guò)合成并釋放植物次生代謝物來(lái)應(yīng)對(duì)動(dòng)物的取食、病原微生物的侵染和其他植物的競(jìng)爭(zhēng)，這是驅(qū)動(dòng)植物產(chǎn)生眾多次生物質(zhì)的動(dòng)力，無(wú)論植物以活的狀態(tài)或死的狀態(tài)向環(huán)境釋放的這種次生物質(zhì)，都可稱為化感物質(zhì)[1]。植物的化感作用正是通過(guò)這種次生物質(zhì)的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而這種作用幾乎可以影響植物的各個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期和各種生理過(guò)程，常表現(xiàn)出多種作用機(jī)制。

1 植物化感物質(zhì)

由化感作用釋放的化學(xué)物質(zhì)，即化感物質(zhì)，多為次生代謝產(chǎn)物，是植物不同生理過(guò)程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物[2]。迄今為止，已經(jīng)鑒定出許多具有不同結(jié)構(gòu)類型的化感物質(zhì)，其植物毒性和生物活性也得到了證實(shí)。有報(bào)道將化感作用分為14 類：（1）長(zhǎng)鏈脂肪酸；（2）生物堿類；（3）簡(jiǎn)單不飽和內(nèi)酯；（4）單酚類、苯甲酸及其衍生物；（5）香豆素類；（6）黃酮類；（7）肉桂酸及其衍生物；（8）萜類；（9）簡(jiǎn)單有機(jī)酸、脂肪醛、直鏈酮和直鏈醇；（10）卟啉和核苷類物質(zhì)；（11）丹寧；（12）硫化物和芥子油苷；（13）蒽醌、萘醌和復(fù)合苯醌；（14）氨基酸和多肽類物質(zhì)[3]。然而，Putnam 等[4]將這些化學(xué)物質(zhì)分為11 類：（i）有毒氣體；（ii）有機(jī)酸和醛；（iii）芳香酸；（iv）簡(jiǎn)單不飽和內(nèi)酯；（v）香豆素；（vi）奎寧；（vii）黃酮類；（viii）單寧；（ix）生物堿；（x）萜類和類固醇；（xi）雜質(zhì)和未知物質(zhì)。若將化感物質(zhì)簡(jiǎn)單分成4 類物質(zhì)，則為酚類化合物（簡(jiǎn)單酚類、黃酮類、香豆素類和醌類）、萜類化合物（單萜、二萜、倍萜、三萜和類固醇類）、生物堿和含氮化學(xué)物質(zhì)（非蛋白氨基酸類、苯并噁嗪類、氰基糖苷類）等[5]。近年來(lái)，有關(guān)化感物質(zhì)的研究主要集中在簡(jiǎn)單酚類、黃酮類和生物堿類這3 類物質(zhì)上（見(jiàn)圖1），其中關(guān)于簡(jiǎn)單酚類化感作用的研究論文最多，所占比例高達(dá)30 %以上，在化感作用研究（2007—2019 年）中這3 類物質(zhì)的研究論文占比將近75 %[5]。

圖1 2007—2019 年在化感作用論文中化合物的種類分布

2 植物化感物質(zhì)的作用機(jī)理

化感物質(zhì)通常通過(guò)影響植物細(xì)胞膜的通透性、細(xì)胞的有絲分裂、細(xì)胞的離子吸收、植物的光合作用和呼吸作用、各種酶系活力等，干擾受體植物的正常生長(zhǎng)。

2.1 影響植物細(xì)胞膜的通透性

化感物質(zhì)到達(dá)受體植物之后，可作用于植物細(xì)胞膜，產(chǎn)生高度反應(yīng)性的氧自由基，造成植物細(xì)胞膜過(guò)氧化損傷，降低植物細(xì)胞膜的完整性，增加植物細(xì)胞的通透性，造成細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的大量滲出。Bortolo 等[6]發(fā)現(xiàn)反式烏頭酸處理水培大豆幼苗（Glycine max）后，大豆根系細(xì)胞中H2O2含量增多，導(dǎo)致細(xì)胞損傷透性增強(qiáng)，使得大豆的生長(zhǎng)受到抑制。白三葉（Trifolium repens）浸提液提高了鴨茅（Dactylis glomerata）幼苗葉片膜質(zhì)過(guò)氧化程度，造成細(xì)胞膜嚴(yán)重?fù)p傷，鴨茅草葉片MDA 含量上升[7]。

2.2 影響植物光合作用

化感物質(zhì)對(duì)植物光合作用的影響是最常見(jiàn)的作用機(jī)制之一，因此，化感物質(zhì)可被用作天然除草劑用于有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展[8]。高粱醌是高粱（Sorghum bicolor）根系產(chǎn)生的一種親脂性苯醌化合物，對(duì)多種雜草和作物都具有化感作用，其作用形式類似于三嗪類除草劑，如阿特拉津[9-10]。大部分單萜類物質(zhì)對(duì)植物光合作用抑制效果明顯，特別是對(duì)天線復(fù)合體的破壞和脂質(zhì)過(guò)氧化引起的色素降解，降低了光系統(tǒng)Ⅱ光合效率和電子傳遞率[11]。通過(guò)葉綠素a 熒光檢測(cè)發(fā)現(xiàn)葛縷子（Carum carvi）精油乳油降低了稗草（Echinochloa crusgalli）光系統(tǒng)Ⅱ效率，而對(duì)玉米（Zea mays）光合作用無(wú)抑制作用，可以開(kāi)發(fā)用于防控玉米田的稗草生長(zhǎng)[12]。微小亞歷山大藻（Alexandrium minutum）對(duì)牟氏角毛藻（Chaetoceros muelleri）的有害作用，主要是由于其產(chǎn)生的化感物質(zhì)通過(guò)抑制質(zhì)體醌介導(dǎo)的光系統(tǒng)Ⅱ和細(xì)胞色素b6f 之間的電子傳遞，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)膜去極化和光合作用的損傷[13]。土荊芥的化感物質(zhì)α-萜品烯和對(duì)傘花素通過(guò)破壞蠶豆幼苗葉綠體超微結(jié)構(gòu)以及干擾光合關(guān)鍵基因表達(dá)從而抑制蠶豆幼苗生長(zhǎng)發(fā)育[14]。

化感物質(zhì)還可以影響受體植物葉片葉綠素的合成，降低植物光合作用效率，進(jìn)而對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。艾葉（Artemisia argyi）提取液對(duì)白菜（Brassica pekingensis）、萵苣（Lactuca sativa）、馬齒莧（Portulaca oleracea）等植物種子萌發(fā)和生長(zhǎng)有化感抑制作用，通過(guò)RNA-Seq 分析和關(guān)鍵基因檢測(cè)分析表明，艾葉通過(guò)多靶點(diǎn)、多路徑抑制雜草的萌發(fā)和生長(zhǎng)，同時(shí)抑制受體植物葉綠素合成，是其抑制植物萌發(fā)和生長(zhǎng)的關(guān)鍵機(jī)制之一[15]。紫莖澤蘭（Ageratina adenophora）的水提取物中喜樹(shù)堿等化感物質(zhì)降低了受體植物葉片葉綠素含量，從而影響了受體植物的幼苗生長(zhǎng)[16-17]。不同濃度的光葉紫花苕子（Vicia villosa）浸提液均能降低紫花苜蓿（Medicago sativa）、黑麥草和白三葉（Trifolium repens）幼苗的葉綠素含量[18]。

2.3 影響植物呼吸作用

化感物質(zhì) 一般通過(guò)抑制線粒體的氧化磷酸化和電子傳遞2 種途徑降低氧氣攝入量，抑制ATP 酶活性，導(dǎo)致受體植物呼吸作用受限[19]。植物次生代謝物對(duì)受體植物的呼吸作用也具有較強(qiáng)的抑制作用，柄花菊素等7 種倍半萜內(nèi)酯及其衍生物抑制了黑麥草等雜草幼苗的呼吸作用[20]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)肉桂酸可能作用于大豆胚軸細(xì)胞呼吸作用的電子傳遞[21]，影響大豆幼苗的生長(zhǎng)。鼠尾草（Salvia japonica）葉片揮發(fā)的二戊稀以及單蔽桉葉素對(duì)黃瓜和燕麥均有化感作用，其作用機(jī)理為二戊稀以及單蔽桉葉素能影響植物懸浮細(xì)胞三羧酸循環(huán)過(guò)程里“琥珀酸—延胡索酸”以及“延胡索酸—蘋(píng)果酸”轉(zhuǎn)化過(guò)程中對(duì)氧的吸收，降低了黃瓜和燕麥氧化磷酸化作用[22]。

2.4 影響水分和離子的吸收

化感物質(zhì)對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞也會(huì)影響植株對(duì)水分和離子的吸收，如阿魏酸、肉桂酸等化感物質(zhì)處理玉米幼苗，由于化感物質(zhì)影響了玉米原生質(zhì)膜上鈉鉀泵的蛋白活性，從而抑制了玉米根系對(duì)硝酸鹽離子的吸收[23]。我國(guó)特有荒漠植物沙蒿（Artemisia ordosica）浸提液能顯著降低蟲(chóng)實(shí)（Corispermum hyssopifolium）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、草木樨狀黃芪（Astragalus melilotoides）的根系對(duì)NH4+和K+離子的吸收，但能顯著增加狗尾草（Setaria virid）對(duì)這2 種離子的吸收[24]。化感物質(zhì)的處理對(duì)細(xì)胞水分吸收也起到一定的抑制作用，如咖啡酸處理乳漿大戟（Euphorbia esula）后，發(fā)現(xiàn)對(duì)植物葉片生長(zhǎng)的抑制作用主要是由于植物細(xì)胞水分吸收受阻[25]導(dǎo)致的。

2.5 抑制細(xì)胞的分裂和伸長(zhǎng)

植物在種子的萌發(fā)期或幼苗的發(fā)育階段，細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)較快，有些化感物質(zhì)作用于植物萌芽期或幼苗期，影響了受體植物細(xì)胞的分裂和伸長(zhǎng)，從而抑制了受體植物的生長(zhǎng)。化感物質(zhì)通過(guò)抑制受體植物根尖細(xì)胞的有絲分裂能顯著抑制其生長(zhǎng)發(fā)育，如青蒿素能有效阻止生菜幼苗根尖細(xì)胞的有絲分裂，使細(xì)胞喪失活力[26]；從瑞香狼毒（Stellera chamaejasme）中分離出的瑞香素對(duì)生菜的抑制作用，主要是抑制了生菜根尖的有絲分裂[27]。小檗堿處理后擬南芥和三葉鬼針草（Bidens pilosa）的根尖表面及分生區(qū)細(xì)胞的分裂明顯受到抑制，使受體植物根尖出現(xiàn)明顯的凹陷，而根尖分生區(qū)細(xì)胞呈現(xiàn)壞死現(xiàn)象[28]。二烯丙基二硫（DADS）是使大蒜具有化感作用的主要化感物質(zhì)，DADS 低濃度時(shí)能夠增加根尖分生區(qū)有絲分裂指數(shù)和細(xì)胞長(zhǎng)度，從而增加分生區(qū)的長(zhǎng)度，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，但高濃度的DADS 對(duì)分生區(qū)細(xì)胞的有絲分裂活性和細(xì)胞長(zhǎng)度有共同的抑制作用[29]。

2.6 影響植物體內(nèi)酶活性

植物體內(nèi)各種酶活體系的互相作用保障了植物正常生長(zhǎng)，化感物質(zhì)處理后，植物受到逆境脅迫，細(xì)胞內(nèi)酶活性受到影響，從而改變了細(xì)胞相關(guān)生物學(xué)功能。有大量研究表明，化感物質(zhì)處理抑制了受體植物保護(hù)酶系的活力，影響植物正常生長(zhǎng)。低濃度黃腐酸能顯著提高稗草體內(nèi)GST、CAT、POD 和SOD 的酶活力，對(duì)稗草幼苗生長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用；而高濃度黃腐酸顯著抑制了稗草體內(nèi)POD 的活力，抑制了稗草幼苗的生長(zhǎng)[30]。在模擬落葉還田研究中發(fā)現(xiàn)，欒樹(shù)（Koelreuteria paniculata）葉水浸提液處理農(nóng)麥1 號(hào)等5 種常見(jiàn)小麥（Triticum turgidum）品種幼苗，發(fā)現(xiàn)其對(duì)小麥幼苗根、芽的生長(zhǎng)及POD 酶活性均有顯著的抑制作用，不利于小麥生長(zhǎng)[31]；叔丁基鄰苯二酚（4-tert-butylpyrocatechol，TBC）是一種可抑制水華微囊藻生長(zhǎng)的化感物質(zhì)，TBC 處理微囊藻后，提高了受體細(xì)胞內(nèi)超氧陰離子自由基、丙二醛以及還原型抗壞血酸（AsA）的含量，細(xì)胞SOD 活性明顯提高，證明微囊藻細(xì)胞受TBC 的毒害，影響了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能[32]?；形镔|(zhì)不僅只作用于受體保護(hù)酶系，如桉樹(shù)（Eucaliptus globosus）葉片水提取液降低了龍爪稷（Eleusine coracanta）種子的α-淀粉酶活力，抑制了種子的萌發(fā)[33]。向日葵（Helianthus annuus）提取液處理后，導(dǎo)致受體植物異檸檬酸裂解酶的失活，抑制了種子萌發(fā)[34]。

2.7 影響植物激素平衡

植物激素對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有調(diào)控作用，是植物應(yīng)對(duì)外界環(huán)境刺激的整合中心，作為植物響應(yīng)外界脅迫反應(yīng)的關(guān)鍵內(nèi)源因子，植物激素的調(diào)控作用在植物的防衛(wèi)反應(yīng)中發(fā)揮了重要的作用[35]?；形镔|(zhì)通過(guò)擾亂受體植物體內(nèi)激素的平衡，影響植物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育。低濃度木醋液處理后，小麥體內(nèi)IAA 和GA3含量增加、ABA 含量降低，這種輕微逆境脅迫促進(jìn)了小麥幼苗的生長(zhǎng)；而高濃度木醋液培養(yǎng)小麥后，小麥內(nèi)源激素IAA 和GA3含量降低，ABA 含量升高，高濃度處理導(dǎo)致小麥處于嚴(yán)重逆境脅迫，抑制了小麥幼苗生長(zhǎng)[36]。槲皮素處理水稻根系，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素運(yùn)輸和轉(zhuǎn)導(dǎo)基因表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致根系生長(zhǎng)素降低，分生組織細(xì)胞分裂減少，根系伸長(zhǎng)受到抑制[37]。香豆素類物質(zhì)4-甲基傘形酮對(duì)擬南芥的種子萌發(fā)、主根伸長(zhǎng)有抑制效果，卻促進(jìn)了側(cè)根發(fā)育，研究發(fā)現(xiàn)4-甲基傘形酮處理提高了2 個(gè)生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)基因PIN2和PIN3的表達(dá)，而生長(zhǎng)素合成基因YUCCA1及生長(zhǎng)素受體TIR1并無(wú)響應(yīng)，表明4-甲基傘形酮引起了擬南芥體內(nèi)生長(zhǎng)素的再分配，而不是生長(zhǎng)素的合成，從而介導(dǎo)了側(cè)根的發(fā)育[38]。化感物質(zhì)苯甲酸處理擬南芥后，擬南芥根系A(chǔ)UX1、PIN2和生長(zhǎng)素合成基因表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致生長(zhǎng)素積累過(guò)高，從而促進(jìn)了苯甲酸對(duì)主根生長(zhǎng)的抑制[39]。

2.8 影響基因表達(dá)及蛋白合成

化感物質(zhì)對(duì)受體植物的各種生理生化影響，大多都可歸因于化感物質(zhì)調(diào)控了受體植物基因的表達(dá)和蛋白的合成。隨著轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組分析檢測(cè)技術(shù)的普及，化感物質(zhì)的作用機(jī)理也得到進(jìn)一步深入挖掘。傘形酮處理硬粒小麥幼苗后，通過(guò)GC-MS 檢測(cè)不同時(shí)間小麥體內(nèi)代謝物，根據(jù)分析不同時(shí)間的物質(zhì)變化，得出傘形酮可擾亂小麥體內(nèi)色氨酸代謝和莽草酸途徑的結(jié)論，這可能是該物質(zhì)進(jìn)行化感作用的一種機(jī)制[40]。運(yùn)用代謝組和蛋白組學(xué)分析研究百里酚對(duì)擬南芥的抑制作用，結(jié)果顯示處理后擬南芥調(diào)滲物質(zhì)（如甜菜苷、脯氨酸）含量增加，活性氧（ROS）解毒蛋白顯著上調(diào)，這也驗(yàn)證了百里酚處理使受體植物受到嚴(yán)重的氧化脅迫。此外，光合蛋白和光合色素的下調(diào)表明百里酚還降低了受體光合作用[41]。波吉卵囊藻（Oocystis borgei）胞外濾液處理銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）后，通過(guò)采用Illumina 轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)銅綠微囊藻體內(nèi)氧化磷酸化途徑基因表達(dá)顯著上調(diào)，提高了銅綠微囊藻體內(nèi)ATP 的合成效率，說(shuō)明在脅迫環(huán)境下銅綠微囊藻受到氧化損傷，提升了獲能途徑[42]。經(jīng)鑒定加拿大一枝黃花（Solidago canadensis）根系水提物中的咖啡酸甲酯和咖啡酸乙酯對(duì)結(jié)縷草（Zoysia japonica）種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)有抑制作用，處理擬南芥幼苗后發(fā)現(xiàn)這2 種物質(zhì)能顯著降低擬南芥幼苗細(xì)胞分裂基因（cdc2a）和細(xì)胞增殖標(biāo)記基因（pcna1）的表達(dá)量，而顯著提高了主根生長(zhǎng)負(fù)調(diào)控基因（AtRRE1）的表達(dá)量，因此，研究人員推測(cè)加拿大一枝黃花根提取物調(diào)控?cái)M南芥幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育主要是由于化感物質(zhì)影響了擬南芥體內(nèi)相關(guān)基因的表達(dá)[43]造成的。

3 展 望

植物化感作用的研究已開(kāi)展多年，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)化感物質(zhì)具有巨大的應(yīng)用潛力，不僅可以直接開(kāi)發(fā)成綠色安全的植物源農(nóng)藥，還可以為新型農(nóng)藥的創(chuàng)制提供模板，而且有些化感物質(zhì)的作用靶標(biāo)獨(dú)特，這些化感物質(zhì)作用機(jī)理的研究為農(nóng)藥新靶標(biāo)的研發(fā)提供了新思路。然而，有些高效低毒的化感物質(zhì)存在提取難、分離費(fèi)用高等問(wèn)題，加上化感物質(zhì)作用靶標(biāo)復(fù)雜，田間使用效果差，都局限了其進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)與利用。因此，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）優(yōu)化化感物質(zhì)的提取及分離方法，高效精準(zhǔn)獲得新型化感物質(zhì)；（2）運(yùn)用多組學(xué)及多種分子生物學(xué)技術(shù)深入剖析化感物質(zhì)的作用靶標(biāo)；（3）加強(qiáng)田間應(yīng)用研究，挖掘在生產(chǎn)實(shí)踐中能有效利用的化感物質(zhì)，推進(jìn)研究成果的快速轉(zhuǎn)化，形成有效產(chǎn)品。